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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Hochspannungsanschlussanordnung und einer Sicherheitssperreinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie diese bereits beispielhaft mit der
DE 10 2009 047 961 A1 bekannt geworden ist.
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Die Hochspannungsanschlussanordnung ist dabei an einer Gehäuseaußenseite einer Motor-Generatoranordnung vorgesehen und umfasst einen Anschaltkasten, in welchem drei Stromversorgungskabel eingeführt und dort mittels Schraubverbindungen mit Anschlussleitern der elektrischen Maschine verbunden sind. Dazu benachbart ist ein als Steckkontakt ausgebildetes Schaltelement der Sicherheitssperreinrichtung angeordnet, welches eine in einem abnehmbaren Deckel des Anschaltkastens vorgesehen Leiterbrücke umfasst. Beim Abnehmen des Deckels wird somit der Steckkontakt geöffnet, wodurch die Hochspannungsanschlussanordnung durch die Sicherheitssperreinrichtung spannungsfrei geschalten wird.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu verbessern und dabei insbesondere Bauraum und Kosten einzusparen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
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Es wird demnach eine gattungsgemäße elektrische Maschine vorgeschlagen, welche ein Maschinengehäuse mit einem zentralen Aufnahmeraum aufweist und wobei in dem Aufnahmeraum ein Stator mit einer Statorwicklung angeordnet ist. Stirnseitig am Stator ist eine Verschaltungsanordnung mit mehreren internen Leitern vorgesehen, welche mit der Statorwicklung verbunden sind. Die elektrische Maschine umfasst weiter eine Hochspannungsanschlussanordnung mit mehreren Verbindungsstellen, an denen die internen Leiter paarweise mit externen Leitern verbunden sind, welche an einer Hochspannungsquelle anschließbar oder angeschlossen sind. Die Hochspannungsanschlussanordnung weist ferner eine abnehmbare Abdeckung auf, welche einen Zugriffsbereich der Hochspannungsanschlussanordnung verschließt. Die elektrische Maschine umfasst weiter eine elektrische Sicherheitssperreinrichtung (Interlock) mit einer Niederspannungsschaltung, wobei durch eine Veränderung des Montagezustands der Abdeckung ein elektrisches Bauelement beeinflusst wird, um dadurch einen Öffnungszustand des Zugriffsbereichs der Hochspannungsanschlussanordnung zu detektieren. Bei einem detektierten offen-Zustand des Zugriffsbereichs wird die Hochspannungsanschlussanordnung spannungsfrei geschaltet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei der elektrischen Maschine vorgesehen, dass die externen Leiter von außen durch das Maschinengehäuse in den zentralen Aufnahmeraum eingeführt sind und dass die Hochspannungsanschlussanordnung und der Zugriffsbereich innerhalb dieses Aufnahmeraums ausgebildet sind und dass weiter das elektrische Bauelement innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist.
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Durch die vorgeschlagene Ausbildung kann somit auf ein separates Anschlussgehäuse oder auf einen gegenüber dem zentralen Aufnahmeraum gesondert ausgebildeten äußeren oder inneren Gehäuseabschnitt des Maschinengehäuses verzichtet werden. Die elektrische Maschine kann somit bauraumsparend und zugleich kostengünstiger dargestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Zugriffsbereich stirnseitig am Maschinengehäuse und außerhalb der axialen Erstreckung eines Statorblechpakets ausgebildet sein. Ein Außendurchmesser des Maschinengehäuses kann allein entsprechend eines Stator- und/oder Rotordurchmessers dimensioniert werden. Aufgrund der üblicherweise stirnseitig am Stator vorgesehenen Verschaltungseinrichtung ist in diesem Bereich für viele Anwendungsfälle bereits ein hinreichend großer Bauraum vorhanden, welcher bedarfsweise in axialer Richtung erweiterbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abdeckung an einem Lagerschild des Maschinengehäuses vorgesehen sein, so dass bezüglich der Maschinenachse axial in den Zugriffsbereich eingegriffen und in dieser Richtung ein Werkzeug eingeführt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die internen Leiter im Wesentlichen in einer gemeinsamen Verbindungsebene angeordnet sein, wobei die externen Leiter im Wesentlichen auch in dieser Verbindungsebene durch das Maschinengehäuse in den Aufnahmeraum eingeführt und an den Verbindungsstellen mit den internen Leitern verbunden sind. Die externen Leiter können insbesondere als flache bandförmige Anschlussleiter ausgebildet sein und dadurch fingerartig durch eine vergleichsweise schmale Öffnung in das Maschinengehäuse eingreifen. Die Öffnung kann dazu bevorzugt an einer Außenumfangsfläche eines zylindrischen Gehäuseabschnitts vorgesehen sein. Die externen Leiter können bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Maschinenachse in den Aufnahmeraum eingreifen. Die Verbindungsebene kann beispielweise eine zu dem Lagerschild parallele Ebene sein.
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Mit besonderem Vorteil kann das elektrische Bauelement als eine Kupplung mit zwei Kupplungselementen ausgebildet sein, welche in einer Öffnungsrichtung der Abdeckung zueinander gefügt sind und wobei eines der Kupplungselemente an der Abdeckung und das andere Kupplungselement an der Verschaltungsanordnung festgelegt ist. Die Kupplung kann zumindest zwei Anschlusspole aufweisen und insbesondere als eine Steckkupplung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Kupplung ein als Buchse mit zwei offenen Kontakten ausgebildetes erstes Kupplungselement aufweisen, wobei die Kontakte von einer Leiterbrücke eines als Stecker ausgebildeten zweiten Kupplungselements elektrisch überbrückbar bzw. verbindbar sind. Die Fügerichtung der Kupplungselemente fällt dabei mit der Öffnungsrichtung der Abdeckung zusammen. Weiter kann die Fügerichtung etwa senkrecht auf der Verbindungsebene der internen und externen Leiter stehen.
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Mit weiterem Vorteil kann eines der Kupplungselemente in einer zur Öffnungsrichtung der Abdeckung bzw. der Fügerichtung der Kupplungselemente im Wesentlichen senkrechten Ebene unter Ausnutzung eines Bewegungsspielraums begrenzt lateral verlagerbar festgelegt sein. Dadurch kann beim Aufsetzen der Abdeckung und beim gleichzeitigen Zusammenfügen der Kupplungselemente ein Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen erfolgen und auf diese Weise eine sichere Verbindung der Kupplungselemente erzeugt werden.
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Mit noch weiterem Vorteil kann zumindest eines der Kupplungselemente zweiteilig ausgebildet sein und ein an der Verschaltungsanordnung oder an der Abdeckung festlegbares Sockelteil und ein damit verbindbares elektrisches Kontaktteil aufweisen. Weiter können das Sockel- und das Kontaktteil werkzeuglos miteinander verbunden werden, was beispielsweise mittels einer steckbaren Rastverbindung erfolgen kann.
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Bevorzugt kann an der Verschaltungsanordnung oder an der Abdeckung ein Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme des Sockelteils ausgebildet sein, wobei der laterale Bewegungsspielraum zwischen dem Aufnahmeabschnitt und dem Sockelteil ausgebildet ist.
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Zur Erzielung einer bauraumsparenden Anordnung kann das elektrische Bauelement zwischen zwei Verbindungsstellen an der Hochspannungsanschlussanordnung angeordnet sein. Insbesondere wenn das elektrische Bauelement als eine Kupplung mit zwei Kupplungselementen ausgebildet ist, kann eines der Kupplungsteile zwischen zwei Verbindungsstellen bzw. zwischen zwei internen Leitern an der Verschaltungsanordnung festgelegt sein.
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Die Erfindung schlägt weiter eine elektrische Maschine gemäß einer zuvor beschriebenen Ausgestaltung vor, welche weiter zum Zusammenwirken mit dem Stator einen drehbar um eine Achse A gelagerter Rotor umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer Hochspannungsanschlussanordnung und einer Sicherheitssperreinrichtung;
- 2 eine Perspektivdarstellung der Hochspannungsanschlussanordnung einer elektrischen Maschine bei geöffnetem Maschinengehäuse mit einem ersten Kupplungselement der Sicherheitssperreinrichtung;
- 3 eine stirnseitige Draufsicht der Hochspannungsanschlussanordnung bei abgenommener Abdeckung eines Zugriffsbereichs;
- 4 eine Perspektivansicht der Verschaltungsanordnung der elektrischen Maschine mit dem in 2 gezeigten ersten Kupplungselement der Sicherheitssperreinrichtung;
- 5 eine Schnittdarstellung der Hochspannungsanschlussanordnung mit einer trennbaren zweiteiligen Kupplung der Sicherheitssperreinrichtung;
- 6 eine Perspektivansicht des in 2 gezeigten ersten Kupplungselements der Sicherheitssperreinrichtung;
- 7 ein Deckelement zum Verschließen des Zugriffsbereichs der Hochspannungsanschlussanordnung.
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Die 1-7 sind in deren Zusammenschau auf ein einziges, in sich geschlossen erläutertes Ausführungsbeispiel gerichtet, wobei einzelne Bezugszeichen nur in jeweiligen Detailansichten eingetragen sein können.
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10, welche als elektrischer Fahrantrieb in einem Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen ist und beispielweise als Achsantrieb in oder an einer Antriebsachse oder zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe oder an einer anderen Position eingebaut sein kann. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor 12 und einen diesen koaxial umgebenden Stator 14. Der Stator 14 ist mit einem Statorträger 16 an einem im wesentliches zylinderförmiger Maschinengehäuse 18 festgelegt, welches stirnseitig durch Lagerschilde 20, 22 zur Lagerung des Rotors 12 mittels einer Rotorwelle 13 begrenzt ist. Das Maschinengehäuse 18 bildet somit einen zentralen Aufnahmeraum 24 für den Stator 14 und den Rotor 12 aus.
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Der Stator 14 umfasst ein Statorblechpaket 26, auf dem zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes eine mehrphasige Statorwicklung 28 ausgebildet ist und wobei Wicklungsenden 30 mittels einer Verschaltungsanordnung 32 im Inneren der elektrischen Maschine mit mehreren bandförmigen Stromsammelschienen 34 bzw. Stromschienen 34 (34A, 34B, 34C) verbunden sind. Die Stromsammelschienen 34 bilden interne Leiter und erstrecken sich stirnseitig am Stator 14 in Umfangsrichtung und können diesen vollständig oder teilweise umschließen und im letzten Fall als Ringsegmente ausgebildet sein. Die Stromschienen 34 sind gegenseitig isoliert und im Ausführungsbeispiel bis auf die bspw. in den 2 und 4 sichtbaren freibleibenden Anschlussabschnitte 340 (340A, 340B, 340C) von einem Kunststoff umspritzt, wodurch die Verschaltungsanordnung 32 als ein vorgefertigtes Kunststoff-Metall-Verbundelement vorliegt.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst weiter eine Hochspannungsanschlussanordnung 36 mit mehreren Verbindungsstellen 38 (38A, 38B, 38C), an denen die internen Leiter in Form der Stromschienen 34 mittels der fahnenförmigen Anschlussabschnitte 340 paarweise mit externen Leitern 40 (40A, 40B, 40C) mittels Schraubbolzen 39 verbunden sind, welche über einen Inverter 42 an einer Hochspannungsquelle 44 anschließbar sind. Der Inverter 42 ist in einem Invertergehäuse 42A angeordnet, welches in der schematischen Darstellung von 1 gegenüber dem Maschinengehäuse 18 separat und in 2 unmittelbar benachbart zu und an dem Maschinengehäuse 18 angeordnet und ausgebildet ist. Das Maschinengehäuse 18 kann mit einem zylindrischen Hauptteil und dem Invertergehäuse 42A einteilig vorliegen und als ein Aluminiumgussteil hergestellt sein. Die Anschlussabschnitte 340 der internen Leiter sind zu diesem Zweck im Wesentlichen innerhalb einer gemeinsamen Verbindungsebene 46 und als eine lineare Anordnung angeordnet. Es ist erkennbar, dass die Anschlussabschnitte 340 gegenüber einem mit Kunststoff vergossenem Basisbereich 32B der Verschaltungsanordnung 32 axial beabstandet angeordnet sind, so dass die in den dadurch gebildeten Abstandsbereich eindringenden Schraubbolzen 39 genügend Platz zur Verschraubung aufweisen.
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Die externen Leiter 40 weisen in 2 Anschlussabschnitte 400 (400A, 400B, 400C) auf, welche im Wesentlichen in dieser vorgenannten Verbindungsebene 46 von außen durch eine oder mehrere Durchgriffsöffnungen 48 in das Maschinengehäuse 18 in den Aufnahmeraum 24 eingeführt und an den Verbindungsstellen 38 jeweils mittels einer Verschraubung mit den internen Leitern 34 verbunden sind. Die Durchgriffsöffnung 48 ist dazu an der Umfangsfläche des in diesem Bereich ebenflächig ausgebildeten Gehäuseabschnitts 18a vorgesehen.
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Wie in den 2, 3 und 5 sichtbar, sind die externen Leiter 40 in dem dargestellten Ausschnitt als flache bandförmige Anschlussleiter ausgebildet und in der Verbindungsebene 46 mit deren Anschlussabschnitten 400 gleichfalls linear angeordnet, so dass sich zur Herstellung der Verschraubung die Anschlussabschnitte der internen Leiter 34 und der externen Leiter 40 paarweise überdecken können.
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Die Hochspannungsanschlussanordnung 36 weist am Lagerschild 20 (1) eine abnehmbare Abdeckung 50 bzw. einen Deckel 50 (5, 7) zur Freigabe einer Öffnung 20A des Lagerschilds 20 auf, welcher im Randbereich mehrere Öffnungen 50a zum Einsetzen von Schraubbolzen ausbildet und wobei die Schraubbolzen am Maschinengehäuse 18 bzw. am Lagerschild 20 in dazu ausgebildete Gewindebohrungen 20B eingeführt werden können und einen Zugriffsbereich 37 der Hochspannungsanschlussanordnung 36 somit sicher verschließen. Die Abdeckung 50 kann zum Herstellen oder Trennen der Verbindung der internen und externen Leiter 34; 40 oder beispielsweise für Revisionszwecke geöffnet werden. Der Zugriffsbereich 37 ist stirnseitig am Maschinengehäuse 18 und außerhalb der axialen Erstreckung des Statorblechpakets 26 ausgebildet. Bezüglich der Maschinenachse A kann axial in den Zugriffsbereich 37 eingegriffen und in dieser Richtung ein Werkzeug eingeführt werden.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst weiter eine elektrische Sicherheitssperreinrichtung (Interlock) 52 mit einer in 1 zeichnerisch lediglich schematisch dargestellten Niederspannungsschaltung 54. Die Sicherheitssperreinrichtung 52 bewirkt, dass durch eine Veränderung des Montagezustands der Abdeckung 50 zunächst ein im Zugriffsbereich 37 befindliches elektrisches Bauelement 56 der Niederspannungsschaltung 54 beeinflusst wird, um dadurch einen Öffnungszustand des Zugriffsbereichs 37 der Hochspannungsanschlussanordnung 36 zu detektieren. Wenn ein offen-Zustand des Zugriffsbereichs 37 detektiert wird, wird die Hochspannungsanschlussanordnung 36 spannungsfrei geschaltet, so dass ein gefahrloses Eingreifen in den Hochspannungsbereich der elektrischen Maschine 10 möglich ist. Das bedeutet, dass die elektrische Maschine 10 nur betrieben werden kann, wenn die Abdeckung 50 vorschriftsmäßig auf dem Gehäuse 18 aufliegt und ein unbeabsichtigter manueller Eingriff in den Zugriffsbereich 37 nicht möglich ist.
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Die Hochspannungsanschlussanordnung 36 und der Zugriffsbereich 37 sind wie in den 1, 2, 4 und 5 erkennbar innerhalb des Aufnahmeraums 24 ausgebildet.
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Das zuvor erwähnte elektrische Bauelement 56 ist ebenso innerhalb des Aufnahmeraums 24 angeordnet und befindet sich platzsparend und zugleich geschützt zwischen zwei Verbindungsstellen 38 an der Hochspannungsanschlussanordnung 36 bzw. zwischen zwei Anschlussabschnitten 340 bzw. 400 an der Verschaltungsanordnung 32.
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Das Bauelement 56 der Sicherheitssperreinrichtung 52 ist allgemein als ein Unterbrecherkontakt in Form einer elektrischen Kupplung 58 bzw. eines Schalters ausgebildet. Die Kupplung 58 weist zwei elektrische Anschlüsse bzw. Kontakte auf und ist vorliegend als eine Steckkupplung 58 mit zwei Kupplungselementen 60, 62 ausgebildet, welche in einer Öffnungsrichtung der Abdeckung 50 zueinander zusammenfügbar sind. Das Kupplungselement 60 ist dazu an der Abdeckung 50 und das andere Kupplungselement 62 an der Verschaltungsanordnung 32 festgelegt.
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Das zwischen zwei internen Leitern 34 bzw. Anschlussfahnen 340 an der Verschaltungsanordnung 32 festgelegte Kupplungselement 62 ist mit zwei offenen buchsenförmigen Kontakten 62-1; 62-2 ausgebildet, welches von einer Leiterbrücke 60-1 des als Stecker ausgebildeten und an der Abdeckung 50 festgelegten Kupplungselements 60 elektrisch überbrückbar bzw. verbindbar sind. Die Fügerichtung der Kupplungselemente 60, 62 fällt mit der Öffnungsrichtung der Abdeckung 50 zusammen, wobei die Fügerichtung auch etwa senkrecht auf der Verbindungsebene 46 der internen und externen Leiter 34, 40 steht.
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Das Kupplungselement 60 ist zweiteilig ausgebildet und weist ein mittels einer Rastverbindung 64-1 mit dem Deckel 50 verbundenes Sockelteil 60A und ein mittels einer Rastverbindung 64-2 damit zusammengefügtes Kontaktteil 60B mit der Leiterbrücke 60-1 auf (5, 7).
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Das Kupplungselement 62 ist gleichfalls zweiteilig ausgebildet und weist ein an der Verschaltungsanordnung 32 angeordnetes Sockelteil 62A und ein damit verbindbares elektrisches Kontaktteil 62B mit einer Signalleitung 620B auf. Das Sockelteil 62A und das Kontaktteil 62B sind mittels einer steckbaren Rastverbindung werkzeuglos miteinander verbunden. Weiter ist das Kontaktteil 62B innerhalb eines am Sockelteil 62A ausgebildeten Aufnahmeraums 620A geschützt angeordnet und in Richtung des Abdeckelements 50 leicht versenkt innerhalb des Sockelteils 62A eingebracht. Ein in Montagerichtung ausgebildeter und sich trichterförmig zum Deckel 50 öffnender Kragen 622A überragt das Kontaktteil 62B, so dass der Kragen 622A beim Zusammenstecken der beiden Teile als eine gegenseitige Positionierhilfe wirken kann.
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Zur Gewährleistung eines gegenseitigen Eingriffs der beiden Kupplungselemente 60; 62 ist das an der Verschaltungsanordnung 32 angeordnete Kupplungselement 62 in der zur Öffnungsrichtung der Abdeckung bzw. der Fügerichtung der Kupplungselemente 60, 62 im Wesentlichen senkrechten Ebene unter Ausnutzung eines Bewegungsspielraums begrenzt lateral verlagerbar festgelegt. Dadurch kann beim Aufsetzen der Abdeckung 50 auf das Gehäuse 18, insbesondere auf das Lagerschild 20 und bei Vorliegen einer Lageabweichung eine laterale Verlagerung dieses Kupplungselements 62 erfolgen, bis ein leichtes und problemloses Zusammenfügen der beiden Kupplungselemente 60, 62 möglich ist. Zu diesem Zweck ist an einem Kunststoffbereich der Verschaltungsanordnung 32 ein Aufnahmeabschnitt 32A zur Aufnahme eines ersten Stützabschnitts 624A des Sockelteils 62A ausgebildet, wobei der laterale Bewegungsspielraum zwischen dem Aufnahmeabschnitt 32A und dem Sockelteil 62A eingestellt bzw. vorgehalten ist. Eine weitere Festlegung und axiale Abstützung des Sockelteils 62A erfolgt über einen zweiten Stützabschnitt 626A, welcher sich am Statorträger 16 abstützt und welcher dort gleichfalls einen lateralen Bewegungsspielraum aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 13
- Rotorwelle
- 14
- Stator
- 16
- Statorträger
- 18
- Maschinengehäuse
- 18a
- Gehäuseabschnitt
- 20
- Lagerschild
- 20A
- Öffnung
- 20B
- Gewindebohrung
- 22
- Lagerschild
- 24
- Aufnahmeraum
- 26
- Statorblechpaket
- 28
- Statorwicklung
- 30
- Wicklungsende
- 32
- Verschaltungsanordnung
- 32A
- Aufnahmeabschnitt
- 32B
- Basisbereich
- 34
- Stromschiene, interner Leiter
- 340
- Anschlussabschnitt
- 36
- Hochspannungsanschlussanordnung
- 37
- Zugriffsbereich
- 38
- Verbindungsstelle
- 39
- Schraubbolzen
- 40
- externer Leiter
- 400
- Anschlussabschnitt
- 42
- Inverter
- 42A
- Invertergehäuse
- 44
- Hochspannungsquelle
- 46
- Verbindungsebene
- 48
- Durchgriffsöffnung
- 50
- Abdeckung
- 50a
- Öffnung
- 52
- Sicherheitssperreinrichtung (Interlock)
- 54
- Niederspannungsschaltung
- 56
- elektrisches Bauelement
- 58
- elektrische Kupplung
- 60
- Kupplungselement
- 60A
- Sockelteil
- 60B
- Kontaktteil
- 60-1
- Leiterbrücke
- 62
- Kupplungselement
- 62A
- Sockelteil
- 620A
- Aufnahmeraum
- 622A
- Kragen
- 624A
- Stützabschnitt
- 626A
- Stützabschnitt
- 62B
- Kontaktteil
- 620B
- Signalleitung
- 62-1
- Kontakt
- 62-2
- Kontakt
- 64-1
- Rastverbindung
- 64-2
- Rastverbindung
- A
- Maschinenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047961 A1 [0001]
